电磁波在自然环境中的传播

电磁波在自然环境中的传播时，受媒质情况的影响可能出现绕射、反射、折射及散射等现象，波的传播方向将会发生改变：电磁波在传播过程中，随着其传播距离的变远而使其能量变得越加分散，而且媒质也不同程度的吸收电磁波的能量，因此在传播过程中电磁波的强度将不可避免地发生衰减。对于电磁波传播过程中出现的这些问题和现象，道理好讲而定量分析则相当困难，它要涉及到很多其它学科领域的知识。

一、电磁波在自然环境中的传播有以下几种基本传播方式：

1、地表面波（地波）传播

天线辐射的电磁波沿地表面传播向远方，长、中、短的电磁波，地表面波是主要的传播方式。下图是地表面波传播的示意图：

地球表面的物理性质是很复杂的而且是不均一的，地表具有一定的导电能力（用导电系数或电阻率来表示）和介电常数。可以把沿地表传播的电磁波看做是对地面入射角θ_i=90°的入射波，那么进入地面折射波的折射角为：

Sinθ_t=n₀/n=1/n

这就是说地表面波传播的过程中有向地表下传播的波。其后果是分流了地表面波的能量而增大了传输衰减；同时由于向地表以下传播的波的存在，使原来地表面波的等相位面向前倾斜。

至于地表面对沿地表面传播的电磁波的吸收可以做这样的物理理解：电磁波沿地面传播时，电荷在地表面感应电荷，感应电荷随电磁波的传播而移动形成电流，它所造成的欧姆损耗就是地表面对地表面波的的吸收衰减。地表面波的频率越高，因趋表效应增大了地表对感应电流的电阻，则地表对地表面波吸收越严重。大地对地表面波的吸收问题，这样的解释是很准确的，但计算起来却是相当复杂和困难的。

大地表面是比较稳定的媒质，地表面波传播很稳定，地表面波主要用于长波、中波波段的电磁波传播，而且沿海面传播时的衰减要比沿陆地传播时小得多，或者说沿海面传播时通信距离要远的多。

2、电离层反射（天波）传播

发射天线辐射向高空的电磁波，因高空中电离层的反射而返回地面到达接收点，如下图所示：

由于高空电离层对不同波段的电磁波的吸收和折射的情况不同，电离层反射传播电磁波的方式主要用于中波和短波波段。

在距离地表面60～80km以上的高空，稀薄的空气在太阳的辐射能的作用下将会发生电离，形成厚度为数百千米的高空电离层。空气电离的程度用电子密度Ne来表示，下图为随着距地面高度h的变化电离层中电子密度Ne的大致变化规律，按照这个分布规律，可把电离层分为D、E、F1及F2各层，每层中都有一电子密度的最大值。

电离层中电子密度变化及分层等问题成因复杂，我们无需深究。但是要注意的是，电离层中电子密度不是恒定不变的，它与太阳辐射直接相关，因此有所谓的日变化和年变化。对此人们已基本上总结和掌握了它的变化规律。显然，白天电离层电子密度大，中午时电离层中电子密度最大，到了晚间电离层中电子密度下降（部分正负离子复合），距太阳最远的D层和E层将会消失，这就是电离层的日变化。就一年四季来说，夏季电离层中电子密度最大。要指出的是太阳并不是一个物理状态稳定的辐射体，太阳的活动会引起电离层没有规律的变化（成为电离层骚动）。

1）电离层对电磁波的反射

由电动力学可知，自由电子密度为Ne的各向同性均匀媒质的相对介电常数为εr=1-80.8Ne/f²，电子密度为Ne的电离层的折射率为：（其中f为电磁波频率）

我们可以把电子密度不均一的电离层分为许多电子密度均一的小薄层（见下图）。令各薄层的电子密度：N_e1< N_e2< N_e3…，则折射率n₁﹥n₂﹥n₃…。当电磁波由空气进入电离层时，电子电离层的折射率小于空气的折射率，则折射角θ_t﹥θ_i（θ_i为电磁波由空气进入电离层的入射角），由斯涅尔定律可写出各薄层中电磁波传播方向的变化关系为：(式中n₀为空气的折射率，n₀=1。

N₀sinθ_i=n₁ sinθt₁=n₂ sinθt₂=…

以上讨论告诉我们，电磁波进入电离层的反射实质上是一种连续折射的结果。若已知电离层的最大电子密度N_ek=N_max，则在电磁波以θ_i角度入射电离层时，电磁波的最高可用频率为f_max。若电磁波频率f﹥f_max，因电离层中不存在比N_max更大的电子密度，电磁波则不能返折回地面。这也正是超短波、微波段的电磁波不能由电离层反射回到地面的原因。

在已知电离层最大电子密度N_max，电磁波频率f时，可以求出能使电磁波返折回地面的最小入射角θ_min。电磁波的频率越高，这个θ_min越大。这就是说利用电离层反射传播电磁波时，在以发射天线为中心的一个区域内经电离层发射回来的电磁波不能到达地面被接收，这一区域称为天波传播的盲区。

还要注意到发射天线主向指向电离层而取得电离层反射传播时，天线有一定的主瓣宽度，这样入射到电离层的电磁波可视为入射角不同的多径射线。这些射线以偏开θ_i的角度入射到电离层，并在各自高度上被反射回来，这样在接收点将可能收到经多条路径传播来的同一原发信号，这就是利用天波通信时的多径效应。而且由于电离层的电子密度不断变化（电离、复合的动态过程），将最终使接收点合成场强发生变化，称之为衰落现象。抗衰落问题，是利用天波通信中必须认真解决的一个重要技术问题。

2）电离层对电磁波的衰减

天线辐射的电磁波进入电离层后，电离层中的自由电子受电磁波电场力的作用而获得加速，受到电场力的加速而运动的电子与电离层中的离子和中性分子碰撞，把能量传递给它们，并不断从电磁波中获得能量。这就是电离层吸收电磁波的能量，是经电离层反射传播的电磁波产生衰减的直接原因。

显然，若电离层中的离子和中性分子的密度越大，发生上述碰撞的概率和次数也越大，对电磁波的吸收也越严重。电离层之D层、E层虽然电子密度不是最大，但是离子特别是中性分子和原子的密度大，因此电离层对电磁波的吸收主要发生在D层和E层。

其次，若电磁波的频率较低，则振荡周期较长，更利于电离层中的电子加速运动（也可解释为谐振），因而电离层对较高频率的电磁波吸收要小。因此用电离层反射方式来传播电磁波，要尽量采用较高的工作频率。而前面讨论中对利用电离层反射传播的电磁波有最高工作频率的限制，因此利用电离层反射传播电磁波有一个最佳频率范围，这个最佳频率范围就是中波和短波波段，特别是短波波段。

再者是，对电离层来说，D层晚间将会消失。而D层对电磁波的吸收最为严重，因此晚间天波信号将会大大增加，所以我们晚间接收到的短波电台非常多就是这个道理。

3、直视（空间波）传播

即电磁波的似光传播，也称为直接波传播。此种情况下电磁波的传播路径就是发射与接收天线的连接直线。直视传播是超短波和微波段的基本传播方式，直视传播的示意图见下图：

电磁波的直视传播就是沿发射点与接收点间的直线传播的方式。

1）地面两点间的最大视距

我们把地球理想化为标准圆球体（地球的平均半径R=6370km），若发射天线和接收天线的高度分别为h1和h2，那么根据下图就很容易求出h1和h2顶点连线的最大可能值（与地表相切时），即最大视距。

2）地面反射波对接收点场强的影响

远离地面架设的天线（视距传播）除了从发射天线到接收天线的直接辐射波外，在接收点处还必须考虑从发射天线经由地面反射到达接收点处的反射波。

在r与h1确定的情况下，接收点场强模值E与接收天线高度h2有关，但是并不是接收天线高度h2的取值越高越好。

3）大气层对电磁波的折射与衰减

地表以上的大气层并不是一种均匀媒质，它的温度、湿度和压力都是随高度变化的。地球物理学的研究表明，标准大气层的相对介电常数随着其距地表面高度的增加而逐渐减少并趋近于1。因此大气层对电磁波的折射率，随着距地面高度的增加而逐渐减小并趋近于1。

我们同样可以把大气层分成折射率恒定的若干薄层，则n₁﹥n₂﹥n₃…。那么电磁波通过每一分层界面时，其传播方向都要向地表面方向偏折一次，宏观地看，电磁波在大气层中的传播路径是一条向下弯曲的弧线，这样直视波的传播会更远些。

大气层对电磁波造成衰减的原因是云、雾、雨等的水珠对电磁波的吸收，同时云、雾、雨中的水珠还会对电磁波产生散射。研究表明，对于工作频率低于3GHz的电磁波可不考虑大气层对电磁波的衰减，当工作频率高于10GHz时大气层对电磁波的衰减就不能不考虑了。

4、散射波传播

向高空辐射的电磁波在对流层和电离层下缘遇到不均匀介质团时会发生散射，一部分散射波可以到达接收点而实现通信。散射传播主要是在超短波段，下图为散射传播的示意图：

二、各波段电磁波的传播

总结以上的讨论，我们可以确定各波段的电磁波各以那种传播方式传播最为适宜，这对各波段的天线设计和使用也是非常重要的。

长波波段：由于电磁波的频率低，以地表面波传播最为适宜，传播距离可达1000～2000km。长波波段的电磁波也可用天波传播，传播距离可以更远，但是白天不可。长波波段可用频带宽度很窄，但其传播稳定，通常用于海上救援通信和发送标准时间（授时台）等。

中波波段：中波波段电磁波的频率较低，适合于地表面波传播，传播距离可以达数百千米。也可用天波传播，传播距离远得多，但是由于电离层的D层吸收严重，所以也不能白天工作。中波波段电磁波以地波方式传播稳定，因此中波波段的很大部分频带宽度被广播电台占用。

短波波段：适合采用天波传播方式，通信距离可达数千千米。在卫星通信出现之前，地---地间超远程通信就是靠短波天波传播实现。短波波段电磁波也可以用地表面波方式传播，但因其频率较高，地面衰减较大，传输距离不超过数十千米，可作近距离通信用。

超短波段和微波波段：这两个波段的电磁波频率高，用地表面波传播时衰减严重，只能传播较近的距离（超短波时不超过几千米，微波波段距离更近而不能用）。天波传播也不可能。因此超短波段和微波波段是采用空间波传播，若实现地---地间通信就必须考虑视距问题和地面反射波的干涉问题。但是它们可以穿越电离层，这使得卫星通信等与外层空间目标的联系必须使用超短波段和微波波段。超短波段还可以利用散射传播方式实现散射通信。